【redis】Redis RDB持久化写时复制技术的实现机制
所谓内存快照，就是指内存中的数据在某一个时刻的状态记录。
这就类似于照片，当你给朋友拍照时，一张照片就能把朋友一瞬间的形象完全记下来。
对Redis来说，它实现类似照片记录效果的方式，就是把某一时刻的状态以文件的形式写到磁盘上，也就是快照。
这样一来，即使宕机，快照文件也不会丢失，数据的可靠性也就得到了保证。
这个快照文件就称为RDB文件，其中，RDB就是Redis DataBase的缩写。
和AOF相比，RDB记录的是某一时刻的数据，并不是操作，所以，在做数据恢复时，我们可以直接把RDB文件读入内存，很快地完成恢复。
听起来好像很不错，但内存快照也并不是最优选项。
为什么这么说呢？
我们还要考虑两个关键问题：
- 对哪些数据做快照？这关系到快照的执行效率问题；
- 做快照时，数据还能被增删改吗？这关系到Redis是否被阻塞，能否同时正常处理请求。
给哪些内存数据做快照？
Redis的数据都在内存中，为了提供所有数据的可靠性保证，它执行的是全量快照，也就是说，把内存中的所有数据都记录到磁盘中，这就类似于给100个人拍合影，把每一个人都拍进照片里。这样做的好处是，一次性记录了所有数据，一个都不少。
当你给一个人拍照时，只用协调一个人就够了，但是，拍100人的大合影，却需要协调100个人的位置、状态，等等，这当然会更费时费力。同样，给内存的全量数据做快照，把它们全部写入磁盘也会花费很多时间。而且，全量数据越多，RDB文件就越大，往磁盘上写数据的时间开销就越大。
对于Redis而言，它的单线程模型就决定了，我们要尽量避免所有会阻塞主线程的操作，所以，针对任何操作，我们都会提一个灵魂之问：“它会阻塞主线程吗?”RDB文件的生成是否会阻塞主线程，这就关系到是否会降低Redis的性能。
Redis提供了两个命令来生成RDB文件，分别是save和bgsave。
save：在主线程中执行，会导致阻塞；
bgsave：创建一个子进程，专门用于写入RDB文件，避免了主线程的阻塞，这也是Redis RDB文件生成的默认配置。
好了，这个时候，我们就可以通过bgsave命令来执行全量快照，这既提供了数据的可靠性保证，也避免了对Redis的性能影响。
接下来，我们要关注的问题就是，在对内存数据做快照时，这些数据还能“动”吗? 也就是说，这些数据还能被修改吗？
这个问题非常重要，这是因为，如果数据能被修改，那就意味着Redis还能正常处理写操作。
否则，所有写操作都得等到快照完了才能执行，性能一下子就降低了。
快照时数据能修改吗?
在给别人拍照时，一旦对方动了，那么这张照片就拍糊了，我们就需要重拍，所以我们当然希望对方保持不动。对于内存快照而言，我们也不希望数据“动”。
举个例子。我们在时刻t给内存做快照，假设内存数据量是4GB，磁盘的写入带宽是0.2GB/s，简单来说，至少需要20s（4/0.2 = 20）才能做完。如果在时刻t+5s时，一个还没有被写入磁盘的内存数据A，被修改成了A’，那么就会破坏快照的完整性，因为A’不是时刻t时的状态。因此，和拍照类似，我们在做快照时也不希望数据“动”，也就是不能被修改。
但是，如果快照执行期间数据不能被修改，是会有潜在问题的。对于刚刚的例子来说，在做快照的20s时间里，如果这4GB的数据都不能被修改，Redis就不能处理对这些数据的写操作，那无疑就会给业务服务造成巨大的影响。
你可能会想到，可以用bgsave避免阻塞啊。这里我就要说到一个常见的误区了，避免阻塞和正常处理写操作并不是一回事。此时，主线程的确没有阻塞，可以正常接收请求，但是，为了保证快照完整性，它只能处理读操作，因为不能修改正在执行快照的数据。
为了快照而暂停写操作，肯定是不能接受的。所以这个时候，Redis就会借助操作系统提供的写时复制技术（Copy-On-Write, COW），在执行快照的同时，正常处理写操作。
简单来说，bgsave子进程是由主线程fork生成的，可以共享主线程的所有内存数据。bgsave子进程运行后，开始读取主线程的内存数据，并把它们写入RDB文件。
此时，如果主线程对这些数据也都是读操作（例如图中的键值对A），那么，主线程和bgsave子进程相互不影响。但是，如果主线程要修改一块数据（例如图中的键值对C），那么，这块数据就会被复制一份，生成该数据的副本。然后，bgsave子进程会把这个副本数据写入RDB文件，而在这个过程中，主线程仍然可以直接修改原来的数据。
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这既保证了快照的完整性，也允许主线程同时对数据进行修改，避免了对正常业务的影响。
到这里，我们就解决了对“哪些数据做快照”以及“做快照时数据能否修改”这两大问题：Redis会使用bgsave对当前内存中的所有数据做快照，这个操作是子进程在后台完成的，这就允许主线程同时可以修改数据。
虽然bgsave执行时不阻塞主线程，但是，如果频繁地执行全量快照，也会带来两方面的开销。
一方面，频繁将全量数据写入磁盘，会给磁盘带来很大压力，多个快照竞争有限的磁盘带宽，前一个快照还没有做完，后一个又开始做了，容易造成恶性循环。
另一方面，bgsave子进程需要通过fork操作从主线程创建出来。虽然，子进程在创建后不会再阻塞主线程，但是，fork这个创建过程本身会阻塞主线程，而且主线程的内存越大，阻塞时间越长。如果频繁fork出bgsave子进程，这就会频繁阻塞主线程了。
那么，有什么其他好方法吗？
此时，我们可以做增量快照，所谓增量快照，就是指，做了一次全量快照后，后续的快照只对修改的数据进行快照记录，这样可以避免每次全量快照的开销。
Redis 4.0中提出了一个混合使用AOF日志和RDB快照的方法。
简单来说，内存快照以一定的频率执行，在两次快照之间，使用AOF日志记录这期间的所有命令操作。
这样一来，快照不用很频繁地执行，这就避免了频繁fork对主线程的影响。
而且，AOF日志也只用记录两次快照间的操作，也就是说，不需要记录所有操作了，因此，就不会出现文件过大的情况了，也可以避免重写开销。
如下图所示，T1和T2时刻的修改，用AOF日志记录，等到第二次做全量快照时，就可以清空AOF日志，因为此时的修改都已经记录到快照中了，恢复时就不再用日志了。
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这个方法既能享受到RDB文件快速恢复的好处，又能享受到AOF只记录操作命令的简单优势，颇有点“鱼和熊掌可以兼得”的感觉，建议你在实践中用起来。
最后，关于AOF和RDB的选择问题，我想再给你提三点建议：
- 数据不能丢失时，内存快照和AOF的混合使用是一个很好的选择；
- 如果允许分钟级别的数据丢失，可以只使用RDB；
- 如果只用AOF，优先使用everysec的配置选项，因为它在可靠性和性能之间取了一个平衡。
一个场景：我们使用一个 2 核 CPU、4GB 内存、500GB 磁盘的云主机运行 Redis，Redis 数据库的数据量大小差不多是 2GB，我们使用了 RDB 做持久化保证。当时 Redis 的运行负载以修改操作为主，写读比例差不多在 8:2 左右，也就是说，如果有 100 个请求，80 个请求执行的是修改操作。你觉得，在这个场景下，用 RDB 做持久化有什么风险吗？
2核CPU、4GB内存、500G磁盘，Redis实例占用2GB，写读比例为8:2，此时做RDB持久化，产生的风险主要在于 CPU资源 和 内存资源 这2方面：
a、内存资源风险：Redis fork子进程做RDB持久化，由于写的比例为80%，那么在持久化过程中，“写实复制”会重新分配整个实例80%的内存副本，大约需要重新分配1.6GB内存空间，这样整个系统的内存使用接近饱和，如果此时父进程又有大量新key写入，很快机器内存就会被吃光，如果机器开启了Swap机制，那么Redis会有一部分数据被换到磁盘上，当Redis访问这部分在磁盘上的数据时，性能会急剧下降，已经达不到高性能的标准（可以理解为武功被废）。如果机器没有开启Swap，会直接触发OOM，父子进程会面临被系统kill掉的风险。
b、CPU资源风险：虽然子进程在做RDB持久化，但生成RDB快照过程会消耗大量的CPU资源，虽然Redis处理处理请求是单线程的，但Redis Server还有其他线程在后台工作，例如AOF每秒刷盘、异步关闭文件描述符这些操作。由于机器只有2核CPU，这也就意味着父进程占用了超过一半的CPU资源，此时子进程做RDB持久化，可能会产生CPU竞争，导致的结果就是父进程处理请求延迟增大，子进程生成RDB快照的时间也会变长，整个Redis Server性能下降。
c、另外，问题没有提到Redis进程是否绑定了CPU，如果绑定了CPU，那么子进程会继承父进程的CPU亲和性属性，子进程必然会与父进程争夺同一个CPU资源，整个Redis Server的性能必然会受到影响，所以如果Redis需要开启定时RDB和AOF重写，进程一定不要绑定CPU。
写时复制那里，复制的是主线程修改之前的数据还是主线程修改之后的呢？
子进程读到的是主线程修改前的数据。
文章中介绍写时复制时，说法上有点偏它能达到的效果了，可能让大家理解有误了。
我再解释下，文章中说“这块数据就会被复制一份，生成该数据的副本”，这个操作在实际执行过程中，是子进程复制了主线程的页表，所以通过页表映射，能读到主线程的原始数据，而当有新数据写入或数据修改时，主线程会把新数据或修改后的数据写到一个新的物理内存地址上，并修改主线程自己的页表映射。所以，子进程读到的类似于原始数据的一个副本，而主线程也可以正常进行修改。
介绍COW时，有点偏于介绍COW的效果了。
实际上，fork本身这个操作执行时，内核需要给子进程拷贝主线程的页表。
如果主线程的内存大，页表也相应大，拷贝页表耗时长，会阻塞主线程。
bgsave保存RDB时，如果有写请求，主线程会把新数据写到新的物理地址，此时的阻塞会来自于主线程申请新内存空间以及复制原数据。
如果是子进程做复制，而主线程直接改数据的话，会有问题：
- 如果子进程还没有把一块数据写入RDB时，主线程就修改了数据，那么就快照完整性就被破坏了；
- 子进程复制数据时，也需要加锁，避免主线程同时修改，如果此时，主线程正好有写请求要处理，主线程同样会被阻塞。
参考
Redis 核心技术与实战
https://time.geekbang.org/column/intro/100056701
Redis 源码剖析与实战
